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农业种植金沙澳门官网4166,千万年进化出农夫界

时间:2019-09-25 04:37来源:科学研究
蚂蚁:农业种植“老手” 千万年进化出农夫界的“老手” 蚂蚁几万年前就能“种植”真菌了,它们是怎么做到的?7月20日,来自哥本哈根大学、深圳国家基因库、美国史密森尼学会和中

蚂蚁:农业种植“老手”

千万年进化出农夫界的“老手”

蚂蚁几万年前就能“种植”真菌了,它们是怎么做到的?7月20日,来自哥本哈根大学、深圳国家基因库、美国史密森尼学会和中国科学院昆明动物研究所的研究者在《自然通讯》发表真菌蚂蚁最新研究成果,揭示了蚂蚁与真菌共同适应性的分子基础。

驯化农业作物并非人类特有行为,蚂蚁也会通过培植真菌来获得可食用的蛋白、脂肪和碳水化合物。7月20日,国家基因库、哥本哈根大学、美国史密森尼学会和中国科学院昆明动物所的科学家在《自然通讯》发表最新成果,揭示了蚂蚁培植真菌之谜。

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对于生活在中国西南地区的人们来说,即将到来的秋天,意味着一种极其美味的食材就可以上桌了,它就是鸡枞菌。它是菌类中的名门望族,每公斤的售价昂贵。除了因为它极其鲜美的口感,还因为它生长的奥秘只有白蚁知道,没有白蚁参与种植,就没有鸡枞菌。

据华大基因专家介绍,农业作物驯化行为并非人类特有,动物界里比如蚂蚁中也存在高级的农业行为。其中,真菌培植蚂蚁通过种植真菌来获得可食用的蛋白、脂肪和碳水化合物,形成了蚂蚁—真菌共生系统。这种共生系统进化了几千万年,形成了一个类似于人类大规模养殖的农业社会系统。

科学家通过全基因组分子钟分析,发现蚂蚁种植行为最早是起源于第三纪早期(5500万—6000万年前)的低级真菌培植蚂蚁,这类蚂蚁采集环境中存在的真菌进行培育,未进行物种选择。于3000万年前,不同的高级真菌蚂蚁开始挑选自己适合的真菌物种进行培植。而后又转化成具有高级驯化能力的切叶蚁,它们采集树叶并利用树叶的残渣对特定真菌进行种植培养,类似工业化的大规模培养真菌。

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除了人类,白蚁是极少数能够参与农业种植的生物。相较而言,人们更不了解的是,原来许多蚂蚁也是搞农业种植的老手,它们的经验甚至比人类还要丰富。

据悉,这类拥有种植行为的蚂蚁起源于南美洲一类靠狩猎采集为生的蚂蚁祖先。早期的真菌蚂蚁主要靠采集环境的真菌为食,这种低效的生活方式一直持续到具有种植并家养化真菌能力的物种出现为止。

研究还发现真菌培植蚂蚁的进化过程跟人类的农业文明演化有许多相同点。首先,两者都由靠采集和狩猎为生的祖先进化而来。在高级真菌培植蚂蚁物种里,主要分为工蚁和繁殖蚁,而在切叶蚁里,工蚁又进一步分化出从事树叶采集、蚁巢防御的大工蚁和体形较小负责种植真菌和抚养后代的小工蚁。这与人类农业文明高度发达之后开始出现社会分工现象类似。人类的农作物被驯化后往往在野外很难生存,类似的,高级真菌培植蚂蚁驯化后的真菌也失去了野外自由繁殖的能力,必须得依靠蚂蚁才能繁殖。而且类似人类的农作物,比如小麦、土豆、苹果、白菜等,相对野生品种都出现了多倍化现象,被专性培养的真菌也出现了多倍化现象。

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来自哥本哈根大学、深圳国家基因库、美国史密森尼学会、中国科学院昆明动物研究所的研究人员试图去找到蚂蚁和它们的种植对象共同适应性的分子基础,最新研究成果发表在了在《自然—通讯》上。

几千万年前蚂蚁就能“种庄稼”

国家基因库生物多样性基因组学负责人张国捷表示:“蚂蚁在培育真菌的过程中,自身同样经历了类似人类适应农业文明所产生的基因组变化。”

除了人类,白蚁是极少数能够参与农业种植的生物。相较而言,人们更不了解的是,原来蚂蚁的种植经验甚至比人类还要丰富。

农业是人类从事的最古老的一项产业,尽管科学家还难以准确说清人类农业文明的起源问题,但一般认为,农业的出现是从采集开始的。当原始人类的采集活动进行了很长时间,无意地观察到植物生长发育中的各种自然现象,然后开始有意识地采集种子进行播种,逐渐积累了栽培经验。人类还把符合自己需要的个体挑选出来,那些有益的性状就被保留下来。

本项研究中,研究人员分析了七种真菌培植蚂蚁以及它们种植真菌的基因组和转录组,它们分为低级真菌蚂蚁、高级真菌蚂蚁和切叶蚁种植菌。通过全基因组分子钟分析,研究人员发现蚂蚁种植行为最早是起源于第三纪早期(5.5—6千万年前,此时地球刚刚经历过恐龙大灭绝)的低级真菌培植蚂蚁,而具有真菌培育驯化的高级真菌蚂蚁起源于3千万年前,从这时候开始,不同的蚂蚁物种开始挑选自己适合的真菌物种进行培植。而后又转化成具有高级驯化能力的切叶蚁,它们采集树叶并利用树叶的残渣对特定真菌进行种植培养,这类蚂蚁可以类似工业化地大规模培养真菌,形成巨大的蚁巢,一个蚁巢家族可以拥有上亿个蚂蚁个体。

(原载于《科技日报》 2016-07-22 01版)

■本报记者 胡珉琦

据了解,人类农业的出现时间是在距今1万多年前,而蚂蚁的种植行为最早可以追溯到第三纪早期(5500万—6000万年前)。文章作者、国家基因库生物多样性基因组学研究组负责人张国捷介绍道,和人类一样,它们也是由依靠采集和狩猎为生的祖先进化而来的。有的蚂蚁捕食昆虫,有的蚂蚁采集花蜜,也有的依靠采集真菌,真菌培植蚂蚁就是这支蚂蚁的后代。

研究还发现,真菌培植蚂蚁的进化过程跟人类的农业文明演化过程有许多相同点。首先,两者都由靠采集和狩猎为生的祖先进化而来。随着驯化能力的提高,新陈代谢水平也提高,同时社会出现更加复杂的分工。在高级真菌培植蚂蚁物种里,社会的主要分工为工蚁和繁殖蚁,而在切叶蚁里,工蚁又进一步分化出体型庞大的从事树叶采集、蚁巢防御的大工蚁和体形较小负责种植真菌和抚养后代的小工蚁。这与人类农业文明高度发达之后开始出现了城市化和社会分工现象类似。

对于生活在中国西南地区的人们来说,即将到来的秋天,意味着一种极其美味的食材就可以上桌了,它就是鸡枞菌。

蚂蚁的祖先最早并没有真菌培养能力,进化过程中,有一部分低级真菌培植蚂蚁开始采集环境中存在的真菌进行培育,但那时,它们还没有进行物种选择。到了3000万年前,不同的高级真菌蚂蚁就开始挑选自己适合的真菌物种进行培植了,并将其作为惟一的食物来源。

人类的农作物被驯化后往往在野外很难生存,与之类似的是,高级真菌培植蚂蚁开始出现专一真菌驯化之后,真菌就失去了野外自由繁殖的能力,必须依靠蚂蚁才能繁殖。而且类似人类的农作物,比如小麦、土豆、苹果、白菜等,相对野生品种都出现了多倍化现象,被专性培养的真菌也出现了多倍化现象。

鸡枞菌是菌类中的名门望族,售价昂贵。除了因它极其鲜美的口感,还因为它生长的奥秘只有白蚁知道——没有白蚁参与种植,就没有鸡枞菌。

其中,最新进化而来的、最高级的培育菌类的蚂蚁种类之一就是切叶蚁。张国捷认为,之前的真菌培植蚂蚁只能小规模地种植真菌,切叶蚁则具有了高级驯化能力,它们采集树叶并利用树叶的残渣对特定真菌进行种植培养,类似工业化的大规模培养真菌。它们培植的真菌甚至可以提供几百万只蚂蚁的口粮。

蚂蚁“农业种植”进程与人类相似

除了人类,白蚁是极少数能够参与农业种植的生物。相较而言,人们更不了解的是,原来许多蚂蚁也是搞农业种植的“老手”,它们的经验甚至比人类还要丰富。

真菌培植蚂蚁的出现就是一个自然选择的过程。最初可能只是随机出现了一些食用真菌的蚂蚁,慢慢地,这些蚂蚁可能在生存竞争中更具有优势,在长久的优胜略汰的自然选择中,优势能力就被保留了下来。

该文章通讯作者、国家基因库生物多样性基因组学研究组负责人张国捷表示:“作物驯化和农业文明的出现对人类社会的演化产生了深远的影响。人类在作物驯化过程中通过杂交等手段使得作物基因组发生了巨大的变化从而获得人类所需要的作物性状,同时,人类自身的基因组也随着农业文明的发展逐渐发生了适应性变化。比如酒精降解酶和乳糖分解酶在不同地区人群活力的差异化就跟农业的发展有着密切的关系。”

金沙澳门官网4166,来自丹麦哥本哈根大学、中国深圳国家基因库、美国史密森尼学会、中国科学院昆明动物研究所的研究人员试图去找到蚂蚁和它们的种植对象共同适应性的分子基础,最新研究成果发表在《自然通讯》上。

食用、种植真菌为什么对蚂蚁而言是个有利选择?科学家发现,种植真菌可以让蚂蚁获得可食用的蛋白、脂肪和碳水化合物。

张国捷称:“这类真菌种植蚂蚁为我们研究这种双向适应演化过程提供了绝佳模式生物,蚂蚁在培育真菌的过程中,不仅改变了真菌的基因组,自身同样经历了类似人类适应农业文明所产生的基因组变化。这些相似的历史过程的发生并非偶然,而是我们所希望寻找的自然规律。”

农业是人类从事的最古老的一项产业,尽管科学家还难以准确说清人类农业文明的起源问题,但一般认为,农业的出现是从采集开始的。当原始人类的采集活动进行了很长时间,无意地观察到植物生长发育中的各种自然现象,然后开始有意识地采集种子进行播种,逐渐积累了栽培经验。人类还把符合自己需要的个体挑选出来,那些有益的性状就被保留下来。

他说,此外真菌能提供蚂蚁所需的一些特殊的营养物质。比如,精氨酸是参与生化过程重要的一种氨基酸,而真菌中富含的氮成分,正是合成精氨酸的必要材料,因此,真菌为蚂蚁提供了不可或缺的精氨酸来源。此外,真菌的胞壁中广泛存在着壳多糖,蚂蚁通过消耗真菌上的壳多糖,降解成葡萄糖,以便获得丰富的能量。

“蚂蚁种植真菌的农业行为是一个有趣的互惠合作的例子,即通过缓慢而渐进的基因组变化实现巨大的生物适应潜能。然而事实上,如今切叶蚁因其对人类庄稼的破坏力已经成为整个拉丁美洲的农业害虫。”丹麦哥本哈根大学社会进化中心jacobusboomsma教授指出,从许多方面来讲,蚂蚁的农业种植似乎比人类的农业更具可持续性,人类对于农业实践的掌控力不如通过缓慢自然选择所形成的昆虫农业体系。

据了解,人类农业的出现时间是在距今1万多年前,而蚂蚁的种植行为最早可以追溯到第三纪早期(6000万~5500万年前)。文章作者、国家基因库生物多样性基因组学研究组负责人张国捷向《中国科学报》记者介绍道:“和人类一样,它们也是由依靠采集和狩猎为生的祖先进化而来的。有的蚂蚁捕食昆虫,有的蚂蚁采集花蜜,也有的依靠采集真菌,真菌培植蚂蚁就是这支蚂蚁的后代。”

蚂蚁和真菌的共生关系进化了几千万年,已经形成了一个类似于人类大规模养殖的农业社会系统。

蚂蚁的祖先最早并没有真菌培养能力,进化过程中,有一部分低级真菌培植蚂蚁开始采集环境中存在的真菌进行培育,但那时,它们还没有进行物种选择。到了3000万年前,不同的高级真菌蚂蚁就开始挑选自己适合的真菌物种进行培植了,并将其作为唯一的食物来源。

人类在作物驯化过程中通过杂交等手段,使作物基因组发生巨变,从而获得人类所需要的作物性状。同时,人类自身的基因组也随着农业文明的发展逐渐发生了适应性变化。而科学家同样在蚂蚁和真菌的共生关系中看到了这种现象。

其中,最新进化而来的、最高级的培育菌类的蚂蚁种类之一就是切叶蚁。张国捷认为,之前的真菌培植蚂蚁只能小规模地种植真菌,切叶蚁则具有了高级驯化能力,“它们采集树叶并利用树叶的残渣对特定真菌进行种植培养,类似工业化的大规模培养真菌。它们培植的真菌甚至可以提供几百万只蚂蚁的口粮”。

在比较了切叶蚁和低级真菌培植蚂蚁,研究人员发现后者的作物仍然只有2套染色体,而切叶蚁的真菌作物则是多倍体。张国捷表示,这和人类种植的农作物,比如小麦、土豆、甘蔗、白菜等十分相似,相对野生品种,驯化物种都出现了多倍化现象。

真菌培植蚂蚁的出现就是一个自然选择的过程。最初可能只是随机出现了一些食用真菌的蚂蚁,慢慢地,这些蚂蚁可能在生存竞争中更具有优势,在长久的优胜劣汰的自然选择中,优势能力就被保留了下来。

多倍化可以使作物更大、产量更高,因为染色体的倍数越多基因的拷贝也越多,就能产生更多的基因产物,提高作物的可塑性。

食用、种植真菌为什么对蚂蚁而言是个有利选择?科学家发现,种植真菌可以让蚂蚁获得可食用的蛋白、脂肪和碳水化合物。“此外,真菌能提供蚂蚁所需的一些特殊的营养物质,比如,精氨酸是参与生化过程重要的一种氨基酸,而真菌中富含的氮成分,正是合成精氨酸的必要材料,因此,真菌为蚂蚁提供了不可或缺的精氨酸来源。此外,真菌的胞壁中广泛存在着壳多糖,蚂蚁通过消耗真菌上的壳多糖,降解成葡萄糖,以便获得丰富的能量。”张国捷介绍说。

“不过,人类的农作物被驯化后往往在野外很难生存,类似的,高级真菌培植蚂蚁驯化后的真菌也失去了野外自由繁殖的能力,必须得依靠蚂蚁才能繁殖。因此,这也加快了人类和切叶蚁的作物驯化过程。”

蚂蚁和真菌的共生关系进化了几千万年,已经形成了一个类似于人类大规模养殖的农业社会系统。

反过来,随着驯化能力的提高,蚂蚁社会出现了更加复杂的分工。

人类在作物驯化过程中通过杂交等手段,使作物基因组发生剧变,从而获得人类所需要的作物性状。同时,人类自身的基因组也随着农业文明的发展逐渐发生了适应性变化。而科学家同样在蚂蚁和真菌的共生关系中看到了这种现象。

在大多数蚂蚁物种里,社会的主要分工为工蚁和繁殖蚁,而在切叶蚁里,工蚁又进一步分化出体型庞大的从事树叶采集、蚁巢防御的大工蚁和体形较小负责种植真菌和抚养后代的小工蚁。这与人类农业文明高度发达之后开始出现城市化和社会分工现象类似。

在比较了切叶蚁和低级真菌培植蚂蚁,研究人员发现后者的作物仍然只有两套染色体,而切叶蚁的真菌作物则是多倍体。张国捷表示,这和人类种植的农作物,比如小麦、土豆、甘蔗、白菜等十分相似,相对野生品种,驯化物种都出现了多倍化现象。

除此之外,他还提到,在真菌进化过程中,它们还不断加强壳多糖的合成能力,以产生更丰富的这种物质。同时,蚂蚁则演化出更强的壳多糖降解能力,从而提供更多自己所需的能量。

多倍化可以使作物更大、产量更高,因为染色体的倍数越多,基因的拷贝也越多,就能产生更多的基因产物,提高作物的可塑性。“不过,人类的农作物被驯化后往往在野外很难生存,类似的,高级真菌培植蚂蚁驯化后的真菌也失去了野外自由繁殖的能力,必须得依靠蚂蚁才能繁殖。因此,这也加快了人类和切叶蚁的作物驯化过程。”张国捷解释说。

在这项研究中,研究人员从三类不同等级的真菌培植蚂蚁中挑选出了7种,越高等级的蚂蚁社会与农业的相互促进和影响也更深入。

反过来,随着驯化能力的提高,蚂蚁社会出现了更加复杂的分工。

农业文明并不是人类特有的,但它也的确很稀有。尽管人类的农业文明从存在时间上要远远落后于蚂蚁,但是作物驯化和农业文明的出现,对人类社会的演化产生了极其深远的影响。

在大多数蚂蚁物种里,社会的主要分工为工蚁和繁殖蚁,而在切叶蚁里,工蚁又进一步分化出体型庞大的从事树叶采集、蚁巢防御的大工蚁和体形较小负责种植真菌和抚养后代的小工蚁。这与人类农业文明高度发达之后开始出现城市化和社会分工现象类似。

如今,人类的农业文明正面临很多挑战,比如如何抵抗病虫害,如何提高作物产量,尤其是如何不在农业发展过程中对生态系统产生破坏。

除此之外,张国捷还提到,在真菌进化过程中,它们还不断加强壳多糖的合成能力,以产生更丰富的这种物质。同时,蚂蚁则演化出更强的壳多糖降解能力,从而提供更多自己所需的能量。

“研究人与农业文明之间的关系并不是一件容易的事,而这类真菌种植蚂蚁可以给研究这种双向适应演化过程提供一种绝佳的模式生物。”张国捷说。

在这项研究中,研究人员从三类不同等级的真菌培植蚂蚁中挑选出了7种,越高等级的蚂蚁社会与农业的相互促进和影响也更深入。

在2008年,美国史密森国家自然历史博物馆的科研人员就发现,蚂蚁不仅懂得用自己的排泄物施肥,还懂得“除草”,而且这些蚂蚁的嘴巴和前肢上隐藏着许多细小的腺窝,里面拥有一种能产生抗生素的细菌,可以对抗害虫,抑制有害的野生菌类生长。更有意思的是,这些蚂蚁抗生素还不产生抗药性。

农业文明并不是人类特有的,但它也的确很稀有。尽管人类的农业文明从存在时间上要远远落后于蚂蚁,但是作物驯化和农业文明的出现,对人类社会的演化产生了极其深远的影响。

蚂蚁的农业系统模式存在了那么长时间,它们与生态系统之间依然能保持良好的依存关系,很值得人类思考。它们如何创造一流的卫生环境,如何有效进行害虫管理,怎样合成杀菌剂和抗生素以防止疾病的发生,与此同时不对生态系统造成负面影响......张国捷希望,未来的研究也能从中找到一些规律和可借鉴的办法。

如今,人类的农业文明正面临很多挑战,比如如何抵抗病虫害,如何提高作物产量,尤其是如何不在农业发展过程中对生态系统产生破坏。

“研究人与农业文明之间的关系并不是一件容易的事,而这类真菌种植蚂蚁可以给研究这种双向适应演化过程提供一种绝佳的模式生物。”张国捷说。

在2008年,美国史密森国家自然历史博物馆的科研人员就发现,蚂蚁不仅懂得用自己的排泄物施肥,还懂得“除草”,而且这些蚂蚁的嘴巴和前肢上隐藏着许多细小的腺窝,里面拥有一种能产生抗生素的细菌,可以对抗害虫,抑制有害的野生菌类生长。更有意思的是,这些蚂蚁抗生素还不产生抗药性。

蚂蚁的农业系统模式存在了那么长时间,它们与生态系统之间依然能保持良好的依存关系,很值得人类思考。它们如何创造一流的卫生环境,如何有效进行害虫管理,怎样合成杀菌剂和抗生素以防止疾病的发生,与此同时不对生态系统造成负面影响……张国捷希望,未来的研究也能从中找到一些规律和可借鉴的办法。

《中国科学报》 (2016-09-09 第4版 新知)

编辑:科学研究 本文来源:农业种植金沙澳门官网4166,千万年进化出农夫界

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